JP4613962B2

JP4613962B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4613962B2
Application number: JP2007551497A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 信也広田; 孝充浅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: WO2007136141A1; JPWO2007136141A1; EP2031199A4; CN101360894A; EP2031199A1; US20090049826A1

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を機関排気通路内に配置し、ＮＯｘ吸収剤上流の機関排気通路内に燃料添加弁を配置し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出させるべきときには燃料添加弁からＮＯｘ吸収剤に燃料を要求燃料添加量だけ添加してＮＯｘ吸収剤内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになるようにすると共に、要求燃料添加量を複数回に分割して添加するようにした内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯｘがＮＯｘ吸収剤に吸収される。一方、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯｘ吸収剤からＮＯｘが放出され還元される。
ところが、燃料添加弁の噴口がいわゆるデポジットにより目詰まりするという異常が生ずると、燃料添加弁の燃料添加率が低下し、燃料添加弁から実際に供給される燃料量が要求燃料添加量に対して不足するので、ＮＯｘを十分に放出及び還元するのが困難になる。
そこで、燃料添加弁に異常が生じたときに、分割添加期間を延長補正して燃料添加弁から実際に添加される燃料量が要求燃料添加量に維持されるようにした内燃機関が公知である（特開２００２−２４２６６３号公報参照）。
しかしながら、分割添加期間を延長補正すると、最初の分割添加開始から最後の分割添加完了までの総添加期間が長くなりこのとき燃料添加弁から添加される燃料量は要求燃料添加量に維持されているので、燃料添加が行われたときの流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いが小さくなり、ＮＯｘを十分に放出還元できないおそれがある。すなわち、分割噴射期間を延長補正したときには、ＮＯｘを確実に放出還元するために総添加期間を短縮補正する必要があるのである。
上述の特開２００２−２４２６６３号公報には、分割噴射期間を延長補正したときに総添加期間が不必要に長くならないようにする旨記載されているが（特開２００２−２４２６６３号公報の［００２６］等参照）、総添加期間を短縮補正することも、どのように短縮補正するかも記載されていない。

そこで本発明の目的は、燃料添加弁の燃料添加率が正規値から変動したときにもＮＯｘを確実に放出還元することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、機関排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤であって、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、該ＮＯｘ吸収剤上流の機関排気通路内に配置された燃料添加弁と、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出させるべきときに燃料添加弁からＮＯｘ吸収剤に燃料を要求燃料添加量だけ添加してＮＯｘ吸収剤内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになるようにする添加制御手段であって、該要求燃料添加量の燃料を複数回に分割して添加する分割添加を行う添加制御手段と、燃料添加弁の燃料添加率又は燃料添加率の正規値に対する変動量を検出する検出手段と、最初の分割添加開始から最後の分割添加完了までの総添加期間を短縮補正すると共に、燃料添加弁から実際に添加される燃料量が要求燃料添加量に維持されるように該検出された燃料添加率又は燃料添加率の変動量に応じて分割添加の制御パラメータを補正する補正手段と、を具備した内燃機関の排気浄化装置が提供される。

図１は圧縮着火式内燃機関の全体図、図２はＮＯｘ吸蔵還元触媒の側面断面図、図３Ａ及び３Ｂは触媒担体の表面部分の断面図、図４Ａ及び４Ｂはパティキュレートフィルタの構造を示す図、図５はＮＯｘ放出制御を説明するためのタイムチャート、図６は単位時間当りのＮＯｘ吸収量ｄＮＯｘのマップを示す図、図７は要求燃料添加量Ｑのマップを示す図、図８は燃料添加パラメータを説明するためのタイムチャート、図９は総添加期間ｔＡＬＬとＮＯｘ浄化率ＥＦＦとの関係を示す図、図１０は総添加期間ｔＡＬＬとＮＯｘ浄化率ＥＦＦの関係を示す図、図１１は総添加期間最適値ｔＡＭのマップを示す図、図１２は総添加期間最適値ｔＡＭのマップを示す図、図１３Ａ，１３Ｂ及び１３Ｃは総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正したときの燃料添加を説明するためのタイムチャート、図１４はＮＯｘ放出制御を行うためのフローチャート、図１５は圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す図、図１６は本発明による別の実施例を説明するためのタイムチャート、図１７は本発明による別の実施例のＮＯｘ放出制御を行うためのフローチャート、図１８は本発明による更に別の実施例を示す図、図１９は総添加期間ｔＡＬＬと排出ＨＣ量との関係を示す図、図２０は本発明による更に別の実施例を説明するためのタイムチャート、図２１は本発明による更に別の実施例のＮＯｘ放出制御を行うためのフローチャートである。

符号の説明

５…排気マニホルド
２０…排気後処理装置
２１，２３…排気管
２４…ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２５…パティキュレートフィルタ
２８…燃料添加弁

図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら本発明を火花点火式内燃機関に適用することもできる。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気後処理装置２０に連結される。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１４内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。
排気後処理装置２０は排気タービン７ｂの出口に連結された排気管２１と、排気管２１に連結された触媒コンバータ２２と、触媒コンバータ２２に連結された排気管２３とを具備する。触媒コンバータ２２内には上流側から順にＮＯｘ吸蔵還元触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５が配置される。また、排気管２３には触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの温度を検出するための温度センサ２６と、触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２７とが配置される。触媒コンバータ２２から排出された排気ガスの温度はＮＯｘ吸蔵還元触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５の温度を表している。
一方、図１に示されるように排気マニホルド５には燃料添加弁２８が取り付けられる。この燃料添加弁２８にはコモンレール１６から燃料が供給され、燃料添加弁２８から排気マニホルド５内に燃料が添加される。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。なお、燃料添加弁２８を排気管２１に取り付けることもできる。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ８、温度センサ２６、及び空燃比センサ２７の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、及び燃料添加弁２８に接続される。
図２はＮＯｘ吸蔵還元触媒２４の構造を示している。図２に示される実施例ではＮＯｘ吸蔵還元触媒２４はハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁６０により互いに分離された複数個の排気ガス流通路６１を具備する。各隔壁６０の両側表面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３Ａ及び３Ｂはこの触媒担体６５の表面部分の断面を図解的に示している。図３Ａ及び３Ｂに示されるように触媒担体６５の表面上には貴金属触媒６６が分散して担持されており、更に触媒担体６５の表面上にはＮＯｘ吸収剤６７の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒６６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ吸収剤６７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
機関吸気通路、燃焼室２及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２４上流の排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤６７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。
すなわち、ＮＯｘ吸収剤６７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、すなわち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３Ａに示されるように白金Ｐｔ６６上において酸化されてＮＯ_２となり、次いでＮＯｘ吸収剤６７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ_３と結合しながら硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯｘ吸収剤６７内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤６７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ６６の表面でＮＯ_２が生成され、ＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ_２がＮＯｘ吸収剤６７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻が生成される。
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比にされると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くして図３Ｂに示されるようにＮＯｘ吸収剤６７内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯｘ吸収剤６７から放出される。次いで放出されたＮＯｘは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、すなわちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸収剤６７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯｘ吸収剤６７によりＮＯｘを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤６７の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁２８から燃料を添加することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘを放出させるようにしている。
一方、図４Ａ及び４Ｂはパティキュレートフィルタ２５の構造を示している。なお、図４Ａはパティキュレートフィルタ２５の正面図を示しており、図４Ｂはパティキュレートフィルタ２５の側面断面図を示している。図４Ａ及び４Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ２５はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路７０，７１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓７２により閉塞された排気ガス流入通路７０と、上流端が栓７３により閉塞された排気ガス流出通路７１とにより構成される。なお、図４Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３を示している。したがって排気ガス流入通路７０及び排気ガス流出通路７１は薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路７０及び排気ガス流出通路７１は各排気ガス流入通路７０が４つの排気ガス流出通路７１によって包囲され、各排気ガス流出通路７１が４つの排気ガス流入通路７０によって包囲されるように配置される。
パティキュレートフィルタ２５は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、したがって排気ガス流入通路７０内に流入した排気ガスは図４Ｂにおいて矢印で示されるように周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス流出通路７１内に流出する。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路７０及び各排気ガス流出通路７１の周壁面、すなわち各隔壁７４の両側表面上及び隔壁７４内の細孔内壁面上にも例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、この触媒担体６５の表面上には図３Ａ及び３Ｂに示されるように白金Ｐｔからなる貴金属触媒６６が分散して担持されており、ＮＯｘ吸収剤６７の層が形成されている。
したがってリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯｘがパティキュレートフィルタ２５上のＮＯｘ吸収剤６７内にも吸収される。このＮＯｘ吸収剤６７に吸収されたＮＯｘも燃料添加弁２８から燃料を添加することによって放出される。
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はパティキュレートフィルタ２５上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ２５上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。したがって粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ２５の温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。
そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２５上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときにはパティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料添加弁２８から燃料を添加してこの添加された燃料の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ２５の温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。
なお、図１においてＮＯｘ吸蔵還元触媒２４を省くこともできる。また、図１においてパティキュレートフィルタ２５として、ＮＯｘ吸収剤６７を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできる。
さて、本発明による実施例では図５にＸで示されるようにＮＯｘ量積算値ΣＮＯｘが許容値ＭＡＸを越える毎に燃料添加弁２８から燃料が添加され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２４上及びパティキュレートフィルタ２５上に担持されたＮＯｘ吸収剤６７内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り換えられる。その結果、ＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘが放出され還元される。
この場合、本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤６７に単位時間当り吸収されるＮＯｘ量ｄＮＯｘが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図６に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯｘ量ｄＮＯｘを積算することによってＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＮＯｘ量の積算値ΣＮＯｘが算出される。
一方、ＮＯｘ吸収剤６７内への流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるために燃料添加弁２８から要求燃料添加量Ｑだけ燃料が添加される。この要求燃料添加量Ｑは例えば吸入空気量Ｇａ及びＮＯｘ吸収剤６７の温度Ｔｃの関数として図７に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
図５からもわかるように本発明による実施例では、要求燃料添加量Ｑが複数回に分割して添加される。図８に示される例では、期間ｔＤＩＶの分割添加がインターバルｔＩＮＴを隔てて４回行われる。ここで、分割添加回数をｎ（＝２，３，…）で表すと、最初の分割添加開始から最後の分割添加完了までの総添加期間ｔＡＬＬは次式で表される。
ｔＡＬＬ＝ｎ・ｔＤＩＶ＋（ｎ−１）・ｔＩＮＴ
この場合、総添加期間ｔＡＬＬが変化すると、燃料添加量を一定に維持していても、ＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが変化することが本願発明者らにより確認されている。このことを図９を参照しながら説明する。ここで、先のＮＯｘ放出還元のための燃料添加が完了してから次のＮＯｘ放出還元のための燃料添加が完了するまでの期間においてＮＯｘ吸収剤６７内に流入したＮＯｘ量をＮｉｎ、ＮＯｘ吸収剤６７から流出したＮＯｘ量をＮｏｕｔで表すと、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦは例えば（Ｎｉｎ−Ｎｏｕｔ）／Ｎｉｎで表すことができる。
図９は燃料添加量を一定に保持しつつ総添加期間ｔＡＬＬを変化させたときのＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ浄化率ＥＦＦを示している。なお、例えば分割添加期間ｔＤＩＶ及び分割回数ｎを維持しつつインターバルｔＩＮＴを変更することにより、燃料添加量を一定に維持しつつ総添加期間ｔＡＬＬを変更することができる。
図９に示されるように総添加期間ｔＡＬＬにはＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大にする最適値ｔＡＭが存在しており、総添加期間ｔＡＬＬが最適値ｔＡＭよりも短くなるにつれて又は長くなるにつれてＮＯｘ浄化率ＥＦＦが低下する。これは、総添加期間ｔＡＬＬが短くなるとＮＯｘ吸収剤６７内への流入排気ガスの空燃比がリッチに保持されている期間が短くなり、総添加期間ｔＡＬＬが長くなるとＮＯｘ吸収剤６７内への流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いが小さくなるからであると考えられる。
ところで、冒頭で述べたように燃料添加弁２８の噴口が主として固体炭素からなるデポジットにより目詰まりすると、燃料添加弁２８の単位時間当たりの燃料添加量すなわち燃料添加率ｑが、燃料添加弁２８に目詰まりが生じていないときの値すなわち正規値ｑｐから低下する。この場合、分割添加期間ｔＤＩＶを延長補正すれば燃料添加弁２８から実際に添加される燃料量を要求燃料添加量Ｑに維持することができる。その上で、インターバルｔＩＮＴを短縮補正して総添加期間ｔＡＬＬを、燃料添加率ｑが正規値ｑｐであるときの最適値ｔＡＭｐに短縮補正すれば、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大に維持できるかに見える。
ところが、燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下したときには総添加期間ｔＡＬＬを上述のｔＡＭｐに短縮補正してもＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大に維持することができず、総添加期間ｔＡＬＬを更に短縮補正する必要があることを本願発明者らは見出したのである。このことを図１０を参照しながら説明する。
図１０において曲線Ｐは燃料添加率ｑが正規値ｑｐであるときのＮＯｘ浄化率ＥＦＦを示しており、曲線Ｃは燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下したときのＮＯｘ浄化率ＥＦＦを示している。なお、いずれも燃料添加弁２８から実際に添加される燃料量は要求燃料添加量Ｑに維持されている。
図１０からわかるように燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下すると、曲線Ｃで表されるＮＯｘ浄化率ＥＦＦは総添加期間ｔＡＬＬが短くなる方向にシフトし、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大にする総添加期間ｔＡＬＬの最適値ｔＡＭｃは燃料添加率ｑが正規値ｑｐのときの最適値ｔＡＭｐよりも短くなる。これは次の理由によるものと考えられる。すなわち、燃料添加率ｑが低下すると添加燃料の貫徹力が低下するために排気通路内壁面上に付着する添加燃料が増大する。いったん排気通路内壁面上に付着した添加燃料はその後蒸発して排気通路内壁面から離脱し、次いでＮＯｘ吸収剤６７に到達する。このため、添加燃料が排気通路内壁面から徐々に離脱してＮＯｘ吸収剤６７に到達し、その結果ＮＯｘ吸収剤６７への流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いが小さくなる。
とすれば、リッチ度合いを十分に大きくするためには燃料を短時間のうちに要求燃料添加量Ｑだけ添加する必要があり、すなわち総添加期間ｔＡＬＬを更に短縮補正する必要があるということになる。
この場合、燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下したときの総添加期間ｔＡＬＬの最適値ｔＡＭは、図１１に示されるように燃料添加率ｑの正規値ｑｐからの低下量Δｑ（＝ｑｐ−ｑ）が大きくなるほど短くなり、あるいは図１２に示されるように燃料添加率ｑそれ自体が小さくなるにつれて短くなる。
そこで本発明による実施例では、燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを検出し、この燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑに応じて総添加期間の最適値ｔＡＭを算出し、総添加期間ｔＡＬＬをこの最適値ｔＡＭに設定するようにしている。その上で、この総添加期間ｔＡＬＬ内に実際に添加される燃料量が要求燃料添加量Ｑに一致するように、検出された燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑに応じ分割添加期間ｔＤＩＶと、インターバルｔＩＮＴ又は分割回数ｎが補正される。
例えば、燃料添加率ｑが正規値ｑｐのときに要求燃料添加量Ｑを添加するのに必要な添加期間はほぼ（Ｑ／ｑｐ）であるから、燃料添加率ｑが正規値ｑｐのときの分割添加期間ｔＤＩＶｐは次式から求めることができる。
ｔＤＩＶｐ＝（Ｑ／ｑｐ）／ｎ
そうすると、燃料添加率ｑのときに要求燃料添加量Ｑを添加するのに必要な分割添加期間ｔＤＩＶは次式から求めることができる。
ｔＤＩＶ＝ｔＤＩＶｐ・（ｑｐ／ｑ）
したがって、総添加期間ｔＡＬＬ内に分割添加期間ｔＤＩＶの分割添加をｎ回行うために必要なインターバルｔＩＮＴは次式から求めることができる。
ｔＩＮＴ＝（ｔＡＬＬ−ｎ・ｔＤＩＶ）／（ｎ−１）
燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを検出するには種々の方法が知られている。例えば、燃料添加弁２８から実際に燃料添加を行ったときに生ずる、ＮＯｘ吸収剤温度Ｔｃの上昇幅に応じて燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを検出することができる。すなわち、燃料添加時に温度センサ２６（図１）により検出されたＮＯｘ吸収剤温度Ｔｃの上昇幅が大きいときには燃料添加率ｑが大きく、温度上昇幅が小さいときには燃料添加率ｑが小さいことがわかる。
本発明による実施例では、ＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘを放出し還元すべく燃料添加弁２８からの燃料添加が行われたときにＮＯｘ吸収剤温度Ｔｃに基づいて燃料添加率ｑ又はその添加量Δｑが検出され、この燃料添加率ｑ又はその添加量Δｑに基づいて図１１又は図１２のマップから総添加期間ｔＡＬＬの最適値ｔＡＭが算出される。次に行われるＮＯｘ放出還元のための燃料添加では、総添加期間ｔＡＬＬがこの最適値ｔＡＭに設定され、要求燃料添加量Ｑが算出され、総添加期間ｔＡＬＬ内に実際に添加される燃料量を要求燃料添加量Ｑに一致させる分割添加期間ｔＤＩＶ及びインターバルｔＩＮＴが燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを用いて算出される。
図１３Ａ及び１３Ｂは燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下したときに行われる燃料添加の一例を示している。図１３Ａに示される例では、図１３Ｃに示される燃料添加率ｑが正規値ｑｐの場合と比較して、総添加期間ｔＡＬＬが短縮補正され、分割添加期間ｔＤＩＶが延長補正され、インターバルｔＩＮＴが短縮補正され、分割添加回数ｎは維持されている。一方、図１３Ｂに示される例では、図１３Ｃに示される場合と比較して、総添加期間ｔＡＬＬが短縮補正され、分割添加期間ｔＤＩＶが延長補正され、分割添加回数ｎが減少され、インターバルｔＩＮＴも短縮補正されている。
図１４にＮＯｘ放出制御ルーチンを示す。
図１４を参照するとまず初めにステップ１００ではＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯｘが算出される。本発明による実施例では、図６に示すマップから単位時間当り吸収されるＮＯｘ量ｄＮＯｘが算出され、このｄＮＯｘがＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯｘに加算される。次いでステップ１０１では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ１０２に進んで要求燃料添加量Ｑが図７のマップから算出される。続くステップ１０３では燃料添加パラメータが算出される。すなわち、前回の処理サイクルのステップ１０７で予め設定されている総添加期間ｔＡＬＬ内においてステップ１０２で算出された要求燃料添加量Ｑだけ添加するのに必要な分割添加期間ｔＤＩＶ、インターバルｔＩＮＴ、及び分割添加回数ｎが、前回の処理サイクルのステップ１０６で検出された燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを用いて算出される。続くステップ１０４ではステップ１０３で決定された燃料添加パラメータに基づいて燃料添加が行われる。続くステップ１０５では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯｘがゼロに戻される。続くステップ１０６では燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑが検出される。続くステップ１０７ではステップ１０６で検出された燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑに基づいて図１１又は図１２のマップから総添加期間最適値ｔＡＭが算出され、この最適値ｔＡＭが次回の燃料添加のための総添加期間ｔＡＬＬに設定される。
なお、検出された燃料添加率ｑがしきい値よりも大きいとき又はその低下量Δｑがしきい値よりも小さいときには総添加期間ｔＡＬＬ、分割添加期間ｔＤＩＶ、インターバルｔＩＮＴ、又は分割添加回数ｎの補正を行わず、燃料添加率ｑがしきい値よりも小さくなったとき又はその低下量Δｑがしきい値よりも大きくなったときに総添加期間ｔＡＬＬ等の補正を行うようにしてもよい。
図１５は本発明による別の実施例を示している。図１５に示される実施例は、ＮＯｘ吸収剤６７から流出する排気ガス中のＮＯｘ量又はＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ８０が排気管２３に取り付けられている点、及び燃料添加弁２８の故障を知らせる警報装置８１が設けられている点で図１の実施例と構成を異にしている。ＮＯｘセンサ８０の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力され、警報装置８１は対応する駆動装置３８を介して出力ポート３６に接続され、電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。
上述したように、燃料添加弁２８の燃料添加率ｑが低下したときに総添加期間ｔＡＬＬが一定に保持されていると、ＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが低下する。そこで本発明による別の実施例では、ＮＯｘセンサ８０の出力に基づきＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ浄化率ＥＦＦを検出し、このＮＯｘ浄化率ＥＦＦが最大に維持されるように総添加期間ｔＡＬＬを補正するようにしている。
すなわち、デポジットによる燃料添加弁２８の目詰まりは時間の経過と共に進行し、したがって燃料添加率ｑは時間の経過と共に小さくなり、燃料添加率低下量Δｑは時間の経過と共に大きくなる。一方、図９又は図１０を参照して説明したように、燃料添加率ｑが低下したときには総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正すればＮＯｘ浄化率ＥＦＦを大きくすることができる。そこで、本発明による別の実施例では、ＮＯｘ放出還元のための燃料添加が行われる毎に総添加期間ｔＡＬＬを短縮するようにしている。
ところが図９からわかるように、総添加期間ｔＡＬＬが最適値ｔＡＭよりも短くなると、総添加期間ｔＡＬＬが短くなるほどＮＯｘ浄化率ＥＦＦが低下する。そこで本発明による別の実施例では、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正した結果ＮＯｘ浄化率ＥＦＦが上昇する限り総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正し、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正した結果ＮＯｘ浄化率ＥＦＦが低下したときには総添加期間ｔＡＬＬを延長補正するようにしている。このようにすると総添加期間ｔＡＬＬを最適値ｔＡＭに維持することができ、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大に維持することができる。
図１６においてＸはＮＯｘ放出及び還元のための燃料添加が行われるタイミングを示している。図１６に示されるように、総添加期間ｔＡＬＬが例えば小さな一定値ΔＹだけ短縮補正され、その結果ＮＯｘ浄化率ＥＦＦが上昇したときには総添加期間ｔＡＬＬが更にΔＹだけ短縮補正される。これに対し、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正した結果ＮＯｘ浄化率ＥＦＦが低下したときには総添加期間ｔＡＬＬがΔＹだけ延長され、すなわち元の値に戻される。このようにしてＮＯｘ浄化率ＥＦＦが最大に維持される。
例えば燃料添加弁２８の目詰まりがひどくなって燃料添加率ｑがかなり小さくなると、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正してもＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大に維持できなくなり、前回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦ０よりも低下するおそれもある。そこで総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正した結果のＮＯｘ浄化率ＥＦＦの、前回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦ０に対する低下量（＝ＥＦＦ０−ＥＦＦ）が許容値よりも大きいときには燃料添加弁２８が故障していると判断し、警報装置８１を作動させるようにしている。なお、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正した結果のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが許容下限よりも低いときに燃料添加弁２８が故障していると判断することもできる。
図１７に本発明による別の実施例のＮＯｘ放出制御ルーチンを示す。
図１７を参照するとまず初めにステップ２００ではＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯｘが算出される。次いでステップ２０１では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ２０２に進んで要求燃料添加量Ｑが図７のマップから算出される。続くステップ２０３では燃料添加パラメータが算出される。すなわち、前回の処理サイクルのステップ２０９又はステップ２１２で予め設定されている総添加期間ｔＡＬＬ内においてステップ２０２で算出された要求燃料添加量Ｑだけ添加するのに必要な分割添加期間ｔＤＩＶ、インターバルｔＩＮＴ、及び分割添加回数ｎが、前回の処理サイクルのステップ２０６で検出された燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを用いて算出される。続くステップ２０４ではステップ２０３で決定された燃料添加パラメータに基づいて燃料添加が行われる。続くステップ２０５では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯｘがゼロに戻される。続くステップ２０６では燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑが検出される。続くステップ２０７ではＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが検出される。続くステップ２０８ではステップ２０７で検出された今回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦが前回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦ０よりも高いか否かが判別される。ＥＦＦ＞ＥＦＦ０のときには次いでステップ２０９に進み、総添加期間ｔＡＬＬが一定値ΔＹだけ短縮される。次いでステップ２１０に進み、今回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦがＥＦＦ０とされる。これに対し、ＥＦＦ≦ＥＦＦ０のときにはステップ２０８からステップ２１１に進み、前回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦ０に対する今回のＮＯｘ浄化率ＥＦＦの低下量（＝ＥＦＦ０−ＥＦＦ）が許容値ＬＭＴよりも大きいか否かが判別される。ＥＦＦ０−ＥＦＦ≦ＬＭＴのときには次いでステップ２１２に進み、総添加期間ｔＡＬＬが一定値ΔＹだけ延長される。次いでステップ２１０に進む。これに対し、ＥＦＦ０−ＥＦＦ＞ＬＭＴのときには次いでステップ２１３に進み、警報装置８２が作動される。
図１８は本発明による更に別の実施例を示している。図１８に示される実施例は、ＮＯｘ吸収剤６７から流出する排気ガス中のＨＣ量又はＨＣ濃度を検出するためのＨＣセンサ８２が排気管２３に取り付けられている点で図１５の実施例と構成を異にしている。ＨＣセンサ８２の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
図１９は燃料添加量を一定に保持しつつ総添加期間ｔＡＬＬを変化させたときの、燃料添加が行われたときにＮＯｘ吸収剤６７から排出されるＨＣ量ＱＨＣを示しており、図１９において曲線Ｐは燃料添加率ｑが正規値ｑｐであるときの排出ＨＣ量ＱＨＣを、曲線Ｃは燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下したときの排出ＨＣ量ＱＨＣをそれぞれ示している。
図１９の例えば曲線Ｐについてみると、総添加期間ｔＡＬＬが短くなるにつれて排出ＨＣ量ＱＨＣが多くなり、総添加期間ｔＡＬＬが長くなるにつれて排出ＨＣ量ＱＨＣが少なくなる。一方、燃料添加率ｑが正規値ｑｐから低下すると、曲線Ｃで表されるＮＯｘ浄化率ＥＦＦは総添加期間ｔＡＬＬが短くなる方向にシフトする。これは上述したように、燃料添加率ｑが低下するとＮＯｘ吸収剤６７内への流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いが小さくなるからである。
とすれば、燃料添加が行われたときの排出ＨＣ量ＱＨＣが少ないときには、流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いが小さくなっており、燃料添加率ｑが低下しているということがわかる。
そこで本発明による更に別の実施例では、燃料添加が行われたときの排出ＨＣ量ＱＨＣをＨＣセンサ８２により検出し、この排出ＨＣ量ＱＨＣが目標値ＱＨＣｔに一致するように総添加期間ｔＡＬＬを補正するようにしている。すなわち、図１９に示される例では総添加期間ｔＡＬＬがｔＡＭｐｐからｔＡＭｃｃまで短縮補正される。その結果、ＮＯｘ吸収剤６７から多量のＨＣが排出されるのを阻止しつつ流入排気ガスの空燃比のリッチ度合いを高く維持することができ、ＮＯｘを良好に放出還元することができる。
図２０においてＸはＮＯｘ放出及び還元のための燃料添加が行われるタイミングを示している。図２０に示されるように、排出ＨＣ量ＱＨＣが目標値ＱＨＣｔよりも少ないときには総添加期間ｔＡＬＬが例えば小さな一定値ΔＺだけ短縮補正される。これに対し、総添加期間ｔＡＬＬが目標値ＱＨＣｔよりも多くなると総添加期間ｔＡＬＬがΔＺだけ延長され、すなわち元の値に戻される。このようにして排出ＨＣ量ＱＨＣが目標値ＱＨＣｔに維持される。
この場合、ＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大にする排出ＨＣ量を目標値ＱＨＣｔに設定しておけばＮＯｘ浄化率ＥＦＦを最大に維持できることになる。
図２１に本発明による更に別の実施例のＮＯｘ放出制御ルーチンを示す。
図２１を参照するとまず初めにステップ３００ではＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯｘが算出される。次いでステップ３０１では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ３０２に進んで要求燃料添加量Ｑが図７のマップから算出される。続くステップ３０３では燃料添加パラメータが算出される。すなわち、前回の処理サイクルのステップ３０９又はステップ３１０で予め設定されている総添加期間ｔＡＬＬ内においてステップ３０２で算出された要求燃料添加量Ｑだけ添加するのに必要な分割添加期間ｔＤＩＶ、インターバルｔＩＮＴ、及び分割添加回数ｎが、前回の処理サイクルのステップ３０６で検出された燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑを用いて算出される。続くステップ３０４ではステップ３０３で決定された燃料添加パラメータに基づいて燃料添加が行われる。続くステップ３０５では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯｘがゼロに戻される。続くステップ３０６では燃料添加率ｑ又はその低下量Δｑが検出される。続くステップ３０７ではＮＯｘ吸収剤６７からの排出ＨＣ量ＱＨＣが検出される。続くステップ３０８ではステップ３０７で検出された排出ＨＣ量ＱＨＣが目標値ＱＨＣｔよりも少ないか否かが判別される。ＱＨＣ＜ＱＨＣｔのときには次いでステップ３０９に進み、総添加期間ｔＡＬＬが一定値ΔＺだけ短縮される。これに対し、ＱＨＣ≧ＱＨＣｔのときにはステップ３０８からステップ３１０に進み、総添加期間ｔＡＬＬが一定値ΔＺだけ延長される。
なお、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正したときの排出ＨＣ量ＱＨＣが前回の燃料添加時の排出ＨＣ量ＱＨＣ０に比べて低下し、このときの低下量（＝ＱＨＣ０−ＱＨＣ）が許容値よりも大きいときには燃料添加弁２８が故障していると判断し、警報装置８１を作動させるようにしてもよい。あるいは、総添加期間ｔＡＬＬを短縮補正したときの排出ＨＣ量ＱＨＣが許容下限よりも少ないときに燃料添加弁２８が故障していると判断することもできる。

Claims

機関排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤であって、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中のＮＯｘを吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、
該ＮＯｘ吸収剤上流の機関排気通路内に配置された燃料添加弁と、
ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出させるべきときに燃料添加弁からＮＯｘ吸収剤に燃料を要求燃料添加量だけ添加してＮＯｘ吸収剤内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになるようにする添加制御手段であって、該要求燃料添加量の燃料を複数回に分割して添加する分割添加を行う添加制御手段と、
燃料添加弁の燃料添加率又は燃料添加率の正規値に対する変動量を検出する検出手段と、
最初の分割添加開始から最後の分割添加完了までの総添加期間を短縮補正すると共に、燃料添加弁から実際に添加される燃料量が要求燃料添加量に維持されるように該検出された燃料添加率又は燃料添加率の変動量に応じて分割添加の制御パラメータを補正する補正手段と、
を具備した内燃機関の排気浄化装置。
前記分割添加の制御パラメータが、分割添加期間と、先の分割添加から次の分割添加までのインターバル又は分割添加回数とである請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記補正手段は、前記燃料添加率が小さくなるほど又は前記燃料添加率の低下量が大きくなるほど短くなるように総添加期間を補正する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ浄化率を検出するＮＯｘ浄化率検出手段をさらに具備し、前記補正手段は、該検出されたＮＯｘ浄化率が目標値に一致するように総添加期間を短縮補正又は延長補正する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
燃料添加が行われたときにＮＯｘ吸収剤から流出する排気ガス中のＨＣ量を検出するＨＣ量検出手段をさらに具備し、前記補正手段は、該検出されたＨＣ量が目標量に一致するように総添加期間を短縮補正又は延長補正する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ浄化率を検出するＮＯｘ浄化率検出手段と、総添加期間を短縮補正しかつ分割添加の制御パラメータを補正しても該検出されたＮＯｘ浄化率の低下量が許容値よりも大きいとき又は該検出されたＮＯｘ浄化率が許容下限よりも低いときには燃料添加弁が故障であると判断する判断手段とをさらに具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。